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  • 星空探秘
  • 李昕
  • 1523字
  • 2020-09-27 14:39:15

暴漲的宇宙

今天我們所見到的能被觀測的宇宙起源于一個比原子還要小的區域空間。大爆炸事件被廣泛認為是創造了宇宙的事件,它發生在100億到150億年以前,導致其產生的原因仍然是未知的,但天體物理學家已經整理出了一套關于大爆炸后的異常詳盡的知識體系——開始于大爆炸后極短的時間。此時傳統的物理定律被認為已經產生了。在極早期的宇宙中,4種自然力——引力、電磁力、強核力和弱核力——被合并成單一的超力。物質與能量并非今天這樣明顯分離。即使是空間也因為這個時候宇宙所占據的小得難以置信的體積而持續被打破和折疊。隨著時間的推移,宇宙不斷膨脹,而在它膨脹時,超力分成了引力與大統一力。

→被觀測到的所有視界距離為150億光年的空間區域都發出相同的溫度的輻射。為什么它們溫度相同并且發射出相同類型的輻射?在暴漲(1)前,空間被緊密壓縮,因而所有區域都是相鄰著的,因此存在著熱平衡的狀態。在宇宙以超過光速的速度短暫地“暴漲”(2)之后,類星體和星系等物體形成,它們都有自己的視界,由大爆炸后光所傳播的距離決定。因此A和B就都位于對方的視界之外。在現代的宇宙(3)里,仍然存在著相同的幾何關系——盡管宇宙額外的年齡意味著視界的擴張。在(2)和(3)階段中,類星體A和B并不互相接觸,因而不可能知道對方的存在,然而我們知道它們都存在是因為它們都會待在我們的視界里。

測量距離

天文學家們使用幾種長度單位。跨越太陽系的距離使用天文單位(AU)來測量,一個天文單位是地球與太陽間的平均距離——1.496×108千米。測量恒星間更長距離用光年(ly)作為單位,1光年等于光在一年里所走的距離——9.46×1012千米,或者63240AU。

另一個單位——秒差距被定義為1AU的距離劃過的1弧度秒(這是個非常小的角度,1分的弧度包含了60秒,60分為1度)的弧長。1秒差距等于3.26光年。

對于秒差距的定義涉及一種叫作視差法的測量恒星距離的方法。隨著地球圍繞太陽旋轉,鄰近恒星的位置相對于更遠處的恒星產生移動。三角函數被用來計算這些距離。

↑在地球上,地平線是我們所能看到的最遠點,這是因為我們世界的彎曲。在宇宙中,我們的視界就是我們所能看到的最遠點,受到宇宙的年齡以及光的有限速度的限制。如果宇宙是150億歲的話,那么我們的視界就是150億光年。任何距離大于150億光年的兩個物體不能知道對方的存在,因為它們所發出的光線沒有足夠的時間到達對方。宇宙暴漲前,我們的視界以光速擴展。當暴漲發生時,宇宙的半徑只有10-35光秒。隨著大統一力的分裂,宇宙內部的空間按指數函數膨脹。因此,宇宙變得比所能看到的部分要大得多。原來相接觸的區域隨著空間的膨脹被分離開來,而分離速度是光速的許多倍。

1.可見視界重疊2.可見視界分離:r=100億光年3.可見視界分離:r=150億光年

關鍵的下一步發生在宇宙的第10-35秒時。此時,宇宙已經膨脹并且冷卻到足夠使大統一力進一步分離成強核力和弱電作用。伴隨這一分離的是夸克與輕子的突然產生,這個過程與大氣中的水蒸氣在周圍空氣的溫度充分低的時候凝結成云是一樣的道理。物質粒子的自發形成導致了宇宙內的變化,這產生了巨大的壓力,使得宇宙以一個極大的加速度速率膨脹——比光速還快。這一過程就是暴漲,它將宇宙擴大了1050的指數,而這一切僅僅發生在10-32秒之內。盡管如愛因斯坦所說,沒有東西在空間中運動速度能夠超過光速,但是這一限制并不適用于空間本身,所以在暴漲的過程中并沒有違背任何物理定律。

暴漲理論并未被證明,人們還提出許多其他的想法。普林斯頓大學的保羅·斯坦哈特和英格蘭劍橋大學的尼爾·圖洛克提出了循環宇宙理論。它以M理論為基礎,指出我們的宇宙只是在更高維度上連接起來的多個宇宙中的一個。其他天文學家則相信,在未來幾年里,空間探測器對于充斥整個宇宙的微波背景輻射的更深入觀測將證實暴漲的發生。

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